Steam

Intercambiador de calor calentado por vapor: consumo, presión en el espacio de vapor y stall

El consumo de vapor de un intercambiador sale del balance de energía: la carga del lado del líquido calentado, sumadas las pérdidas, dividida por la diferencia de entalpía entre el vapor que entra en la válvula de control y el condensado que sale del espacio de vapor (IAPWS-IF97). Con U y A — o la presión de proyecto — la calculadora encuentra la presión en el espacio de vapor en cada carga y verifica el stall del drenaje.

Cuándo usar

Úsela para intercambiadores de carcasa y tubos o de placas en los que el vapor condensa y calienta un líquido, con control de temperatura por el lado del vapor. La calculadora entrega tres niveles de respuesta según el dato disponible: solo el consumo (estimación conservadora, condensado admitido saturado a la presión de alimentación); el desempeño, a partir de la presión de proyecto en el espacio de vapor (UA requerido y, con U, el área) o de U y A de la hoja de datos (temperatura y presión de condensación requeridas); y la carga parcial con el stall, cuando se informan la operación mínima y la contrapresión del drenaje. Los resultados alimentan la red de vapor (caudal máximo con margen, caudal mínimo y set point) y la verificación del purgador (condensado máximo y mínimo, presión en el espacio de vapor en la mínima). El control por el lado del condensado no está cubierto en esta versión (D181), y el vapor de alimentación queda limitado a 100 bar(a).

Qué resuelve la calculadora

Un intercambiador calentado por vapor con control por el lado del vapor tiene tres preguntas de proyecto: cuánto vapor consume, a qué presión debe estar el vapor dentro del equipo y si el condensado sigue drenando cuando la carga cae. La calculadora responde las tres en el orden en que los datos aparecen en el proyecto — desde el consumo, que solo exige el lado proceso, hasta el stall, que exige el desempeño del intercambiador y la contrapresión del drenaje.

Consumo: balance de entalpías, no calor latente

La carga viene del lado del líquido calentado. Para agua, la variación de entalpía se calcula por IAPWS-IF97 a la presión del proceso, que también sirve para verificar que el agua no hierva a la salida. Para otro líquido, se usa el cp medio informado (y la densidad, si el caudal es volumétrico); en ese caso la no ebullición queda no evaluada. Las pérdidas del equipo entran como porcentaje de la carga.

El vapor necesario es ṁ_v = Q/(h_entrada − h_condensado). El vapor entra en la válvula de control saturado seco (premisa D169: separador con purgador antes de la válvula) o sobrecalentado, si se informa la temperatura; el condensado sale saturado a la presión del espacio de vapor, o subenfriado por el ΔT informado.

Desempeño y carga parcial

Como el vapor condensa a temperatura constante, la relación entre carga y temperatura de condensación es cerrada: T_s = T_sal + (T_sal − T_e)/(e^NTU − 1). Con UA constante, la calculadora recorre la trayectoria de reducción de carga declarada — caudal menor, entrada más caliente o los dos juntos — y obtiene la presión en el espacio de vapor en cada punto. La carga de cada punto es la carga térmica calculada, nunca el parámetro de interpolación.

Verificaciones y límites honestos

Stall: presión en el espacio de vapor ≤ contrapresión total, punto obtenido por bisección con verificación de signo; sin sumar ΔP de purgador.
Vacío: aviso con orientación de drenaje (rompedor de vacío y gravedad, o bomba-purgador).
Alimentación por encima del set point, PMTA (set point y alimentación), temperatura máxima del lado vapor (vapor después de la válvula isentálpica) y no ebullición del agua.
Fuera del alcance: control por el lado del condensado, zonas de desobrecalentamiento y subenfriamiento en el UA, capacidad del purgador y dimensionamiento de la válvula de seguridad.

Fórmulas y fundamentos

Carga térmica del lado proceso Q = ṁ·(h_sal − h_e)·(1 + pérdidas/100)

Q = carga térmica [kW]; ṁ = caudal másico del líquido [kg/s]; h_e, h_sal = entalpías del líquido a la entrada y a la salida [kJ/kg]; pérdidas = pérdidas del equipo al ambiente [% de la carga del proceso]. Para agua, Δh sale de IAPWS-IF97 a la presión del lado proceso (por eso la presión del proceso es obligatoria); para otro líquido, Δh = cp·ΔT con el cp medio informado. El caudal en m³/h se convierte con la densidad a la temperatura de entrada.

Consumo de vapor por el balance de entalpías ṁ_v = Q / (h_v − h_c)

ṁ_v = caudal de vapor [kg/s]; h_v = entalpía del vapor a la entrada de la válvula de control [kJ/kg] — saturado seco (D169) o sobrecalentado, si se informa la temperatura; h_c = entalpía del condensado [kJ/kg], líquido saturado a la presión del espacio de vapor o subenfriado por el ΔT informado. No se usa el calor latente aislado (D177): la válvula es isentálpica, así que h_v vale también dentro del equipo, a la presión menor.

Número de unidades de transferencia NTU = UA / (ṁ·c̄p), c̄p = Δh/ΔT

UA = coeficiente global por área [kW/K]; ṁ·c̄p = capacidad térmica de la corriente de proceso [kW/K], con el cp medio tomado del propio Δh. Mide el tamaño térmico del intercambiador frente a la carga: un NTU mayor permite vapor más frío (presión menor) para la misma carga.

Temperatura de condensación requerida (lado vapor isotérmico) T_s = T_sal + (T_sal − T_e) / (e^NTU − 1) ⇔ UA = ṁ·c̄p·ln[(T_s − T_e)/(T_s − T_sal)]

Forma cerrada ε–NTU con un lado de capacidad infinita: como el vapor condensa a temperatura constante, vale para cualquier arreglo (carcasa y tubos o placas). Con U y A conocidos da T_s [°C] y la presión en el espacio de vapor P = P_sat(T_s); con la presión de proyecto da el UA requerido (y A = UA/U si se informa U).

Diferencia media logarítmica (LMTD) LMTD = (T_sal − T_e) / ln[(T_s − T_e)/(T_s − T_sal)]

LMTD [K] entre el vapor que condensa a T_s y el líquido que va de T_e a T_sal. Con un lado isotérmico el factor de corrección F vale 1 en cualquier arreglo. Es la física que decide el stall (D184), con U constante a lo largo de la carga.

Condición de stall stall: T_s(carga) ≤ T_sat(P_b), P_b = P_retorno + ρ_l·g·z + ΔP_línea

P_b = contrapresión total del drenaje — informada directamente o sumada por la presión del retorno, la columna de condensado z después del purgador (ρ_l del líquido saturado a la presión del retorno) y la pérdida por flujo en la línea de condensado (D188). No se suma ningún ΔP de purgador; la capacidad del purgador es verificación aparte, por la curva del fabricante.

Normas y métodos

IAPWS R7-97(2012) — IAPWS-IF97: entalpía del vapor, del condensado y del agua de proceso; saturación en el espacio de vapor
Spirax Sarco, The Steam and Condensate Loop — Block 13, Condensate Removal (referencia técnica; carta de stall usada solo como verificación cruzada)
NR-13 (Brasil) — referencia de documentación e interfaz con el profesional legalmente habilitado (PLH); LOGOS no realiza encuadramiento legal ni sustituye el código de construcción del equipo

Valores típicos de referencia

Magnitud	Rango típico	Observación
Factor de corrección F del LMTD	1	Lado vapor isotérmico (condensación a T constante): F = 1 para carcasa y tubos o placas. Las zonas de desobrecalentamiento y de subenfriamiento no se modelan en el UA.
Presión del vapor de alimentación	hasta 100 bar(a)	Límite de producto de LOGOS Steam; por encima, la entrada se rechaza.
Carga de stall — carta aritmética × LMTD (Spirax Ej. 13.6.1)	55 % × 51,8 %	Fuente: Spirax Sarco, Block 13. La media aritmética anticipa el stall; con U constante la forma LMTD es la exacta y decide el veredicto (D184/D222).
Consumo exacto × por h_fg (Spirax, selecting the trap, proveedor Y)	496,0 kg/h × 497,4 kg/h	Con la alimentación por encima de la presión del espacio de vapor, el balance exacto pide menos vapor que Q/h_fg(P_espacio). Comparación registrada en el código de LOGOS.
Contrapresión de tanque de condensado abierto	0 bar(g)	Ejemplo de la ayuda de la calculadora para la contrapresión total.
Extensión teórica de la curva de stall	hasta el 5 % de la carga	Solo en los modos puros (caudal menor o entrada más caliente), por debajo de la mínima declarada. En la trayectoria combinada no hay extensión.

Ejemplo resuelto

Calentamiento de agua de 20 a 80 °C en intercambiador de carcasa y tubos, con U y A de la hoja de datos

Datos de entrada

Tipo de intercambiador: carcasa y tubos -
Vapor a la entrada de la válvula (saturado seco): 8 bar(g)
Fluido calentado: agua, presión del lado proceso: 3 bar(g)
Caudal máximo / mínimo del proceso: 20 / 12 m³/h
Temperatura de entrada / salida: 20 / 80 °C
U de servicio × área de intercambio: 2.000 × 8 W/(m²·K) × m²
Contrapresión total del drenaje: 0 bar(g)
Pérdidas del equipo / margen de proyecto: 2 / 10 %
PMTA del espacio de vapor / T máx. del lado vapor: 10 / 200 bar(g) / °C

Resultados

Carga térmica (proceso + pérdidas): 1.391,8 + 27,8 = 1.419,6 kW
Vapor en la operación máxima: 2.342,0 kg/h
Caudal máximo con margen (para la red): 2.576,2 kg/h
Set point en el consumidor (T_s): 2,64 (140,4 °C) bar(g)
UA / NTU / LMTD: 16,0 / 0,690 / 87,0 kW/K / - / K
Operación mínima: carga, presión en el espacio de vapor, vapor: 60 % · 0,32 bar(g) · 1.321,2 kg/h
Stall: sin stall en el rango declarado (por debajo de 49,7 %) % de la carga
Situación: Cumple -

Los 20 m³/h de agua entran a 998,3 kg/m³, o sea 19.966,9 kg/h; el Δh por IF97 a 3 bar(g) es 250,9 kJ/kg y la carga del proceso, 1.391,8 kW, que con 2 % de pérdidas sube a 1.419,6 kW. El vapor saturado seco a 8 bar(g) tiene h = 2.773,1 kJ/kg, y el consumo real es 2.342,0 kg/h — la red recibe 2.576,2 kg/h, porque solo ese caudal lleva el 10 % de margen. Con UA = 16 kW/K (NTU 0,690), el vapor necesita condensar a 140,4 °C: el set point de la válvula es 2,64 bar(g), muy por debajo de los 8 bar(g) de alimentación. En la mínima (12 m³/h, 60 % de la carga) la presión en el espacio de vapor cae a 0,32 bar(g), todavía por encima del retorno atmosférico (T_sat 99,97 °C). El stall solo aparecería por debajo del 49,7 % de la carga, en la extensión teórica por debajo de la mínima declarada; la carta aritmética de Spirax indicaría 55,3 %, antes, y queda solo como referencia. El agua no hierve (saturación a 143,7 °C en el lado proceso, margen de 63,7 K), el vapor laminado llega al equipo a 157,9 °C (por debajo de 200 °C) y set point y alimentación quedan por debajo de la PMTA de 10 bar(g): todas las verificaciones se hicieron y se aprobaron. Si la carga puede caer por debajo del 49,7 % en arranque, parada o falla de control, el drenaje debe evaluarse en esa condición.

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Errores comunes

Informar la presión del espacio de vapor en el campo de alimentación. El campo pide la presión que llega a la ENTRADA de la válvula de control (desde la red o la línea); la presión en el espacio de vapor es resultado — o el valor de proyecto de la hoja de datos, en la pestaña Desempeño.
Calcular el consumo por el calor latente aislado. El balance correcto es Q/(h_entrada − h_condensado) con entalpías IAPWS-IF97: la entalpía del vapor de alimentación, que llega a presión mayor, no es la del vapor saturado en el espacio de vapor.
Adivinar el U por el tipo de intercambiador. El U depende del ensuciamiento, la velocidad y la geometría y tiene que venir de la hoja de datos. Sin U y A, use la presión de proyecto en el espacio de vapor o el modo solo consumo.
Dejar fuera la pérdida de la línea de condensado en la contrapresión por componentes. La contrapresión queda subestimada y el stall parece ocurrir a una carga menor que la real.
Aplicar el margen de proyecto al set point o al stall. El margen multiplica solo el caudal enviado a la red (dimensionamiento de la válvula y de la línea); consumo, set point, condensado y stall usan la carga real (D185).
Olvidar que la válvula de control puede fallar abierta. La PMTA del espacio de vapor se compara también con la presión de alimentación; la alimentación por encima de la PMTA solo se acepta con válvula de seguridad en el lado vapor declarada, ajustada hasta la PMTA (D198).
Usar intercambiador de placas sin los límites del fabricante. Las juntas y la soldadura fuerte limitan la presión y la temperatura del lado vapor: informe la PMTA y la temperatura máxima para que la calculadora las verifique.

Preguntas frecuentes

¿Por qué el consumo no es simplemente la carga dividida por el calor latente?

Porque el vapor llega a la válvula de control a una presión mayor que la del espacio de vapor, y la válvula es isentálpica: la entalpía que entra en el intercambiador es la de alimentación, no la del vapor saturado a la presión interna. LOGOS usa ṁ_v = Q/(h_entrada − h_condensado) con entalpías IAPWS-IF97 (D177). En el ejemplo de Spirax para selección de purgador (proveedor Y), el balance exacto da 496,0 kg/h contra 497,4 kg/h por h_fg.

¿Qué es el stall y cuándo ocurre?

Con control por el lado del vapor, la válvula cierra cuando la carga cae y la presión en el espacio de vapor baja con ella. Cuando queda igual o por debajo de la contrapresión total del drenaje, el condensado no sale por el purgador convencional: anegamiento, golpe y control inestable. La calculadora clasifica el resultado en stall ya en la carga máxima, stall dentro del rango de operación o sin stall en el rango declarado (con el punto por debajo de la mínima informado como extensión teórica). Sin contrapresión o sin datos de desempeño, el stall queda no evaluado.

¿Qué diferencia hay entre informar U y A o la presión de proyecto en el espacio de vapor?

Con U y A de la hoja de datos la calculadora encuentra la temperatura y la presión que el vapor necesita dentro del equipo en cada carga. Con la presión de proyecto en el espacio de vapor devuelve el UA requerido (y el área, si se informa U). Sin ninguno de los dos, solo se calcula el consumo, con el condensado admitido saturado a la presión de alimentación — estimación conservadora — y set point, carga parcial y stall quedan no evaluados. El U nunca se infiere por el tipo de intercambiador.

La carta de stall de Spirax da otro número. ¿Cuál vale?

La carta de Spirax Sarco (Block 13, Ej. 13.6.1) usa la media aritmética de temperaturas y tiende a anticipar el stall (en ese ejemplo, 55 % contra 51,8 %). Con U constante, la forma logarítmica (LMTD) es la exacta y decide el veredicto (D184); la carta aparece como referencia solo en la trayectoria por caudal (D222). Una divergencia grande pide atención al drenaje a carga parcial.

¿Qué significa Cumple con pendientes?

La situación general tiene tres niveles (D199). Cumple: todas las verificaciones obligatorias hechas y aprobadas. Cumple con pendientes: falta un dato esencial — PMTA, temperatura máxima, contrapresión, operación mínima — o hay un punto de atención. No cumple / no viable: alguna verificación reprobada o condición no ejecutable. La alimentación por encima de la PMTA con válvula de seguridad solo declarada queda en pendiente, nunca en cumple pleno (D230), porque el dimensionamiento de esa válvula no se hace aquí.

¿El espacio de vapor puede operar en vacío?

Sí. Cuando la temperatura de condensación requerida queda por debajo de la saturación a la presión atmosférica local, la calculadora emite un aviso de vacío y orienta el drenaje según la contrapresión del retorno (D221): con el retorno en la atmósfera o por debajo, rompedor de vacío y drenaje por gravedad; por encima, bomba-purgador. El aire admitido por el rompedor de vacío reduce la transferencia y saca ese rango del modelo de vapor puro: la capacidad debe confirmarse con el fabricante.

¿La calculadora dimensiona el purgador y la válvula de seguridad?

No. Entrega al purgador el condensado máximo y mínimo, la presión en el espacio de vapor en la mínima y la carga de stall; la capacidad del purgador se verifica por la curva del fabricante, al diferencial real. De la válvula de seguridad solo registra si la protección fue declarada; su dimensionamiento para el caudal de la válvula de control totalmente abierta se hace aparte.

Glosario

Espacio de vapor: Lado del intercambiador donde el vapor condensa, aguas abajo de la válvula de control. Su presión es la de saturación a la temperatura de condensación requerida por la carga.
Set point en el consumidor: Presión requerida en el espacio de vapor a la carga máxima — la presión a la salida de la válvula de control. La alimentación tiene que quedar por encima, con holgura para que la válvula regule.
UA: Producto del coeficiente global de transferencia U por el área A [kW/K]. Con el lado vapor a temperatura constante, fija la relación entre carga y temperatura de condensación.
NTU: Número de unidades de transferencia: UA dividido por la capacidad térmica de la corriente de proceso (ṁ·c̄p).
LMTD: Diferencia media logarítmica de temperatura entre el vapor que condensa y el líquido. Con un lado isotérmico, F = 1 en cualquier arreglo.
Stall: Condición en la que la presión en el espacio de vapor queda igual o por debajo de la contrapresión total del drenaje y el condensado deja de salir por el purgador convencional.
Contrapresión total: Presión contra la que descarga el purgador: informada directamente o sumada por retorno, columna de condensado después del purgador y pérdida de la línea.
PMTA: Presión máxima de trabajo admisible del espacio de vapor, dato del fabricante; se compara con el set point y con la presión de alimentación (válvula de control fallando abierta).